Zweistufige Solarzelle für die Masse
Eine Tandem-Solarzelle ermöglicht eine hohe Energieausbeute von über 30%. Ein neues Verfahren der Empa ermöglicht erstmals, die Zellen günstig herzustellen.
Was bei Doppelklingenrasierern gut ist, gilt auch für Solarzellen: zwei Arbeitsschritte sind gründlicher. Wenn man zwei Solarzellen übereinander legt, von denen eine halb transparent ist, dann lässt sich ein grösserer Anteil der Lichtenergie in Strom umwandeln. Bislang wurde die aufwändige Technik vorwiegend in der Raumfahrt eingesetzt. Für die Massenproduktion waren sogenannte Tandem-Zellen zu teuer. Ein Empa-Team um Stephan Bücheler und Ayodhya N. Tiwari vom Labor für Dünnschicht und Photovoltaik hat es nun geschafft, eine preisgünstige Tandem-Solarzelle herzustellen, die sich auf flexible Kunststofffolien auftragen lässt. Ein wichtiger Meilenstein zur Massenproduktion hoch effizienter Solarzellen ist damit erreicht.
Der Clou an dem neuen Verfahren: Die Forscher erzeugen die zusätzliche Solarzellenschicht in einem Niedrigtemperaturverfahren bei nur 50 Grad Celsius. Das verspricht für künftige Herstellungsprozesse einen Energie und Kosten sparenden Produktionsschritt. Auf Anhieb erreichte die Tandem-Solarzelle einen Wirkungsgrad von 20.5 Prozent bei der Umwandlung von Licht in Strom. Sie liegt damit auf Augenhöhe mit den besten bisher produzierten flexiblen Solarzellen der Welt. Dabei ist ihr Potential noch längst nicht ausgeschöpft, wie die Empa-Forscher betonen.
Molekulare Fussbälle als Unterlage
Der Schlüssel zu dem Doppel-Erfolg war die Entwicklung einer halbtransparenten Solarzelle aus Methyl-ammonium-Bleiiodid, das sich in Form winziger Perowskit-Kristalle abscheidet. Als Unterlage für den Perowskit dient eine Substanz mit dem Kürzel PCBM (Phenyl-C61-Buttersäure-Methylester). Jedes Molekül PCBM enthält 61 Kohlenstoff-Atome, die in Form eines Fussballs miteinander verknüpft sind. Auf diese Fussballschicht wird sozusagen «lauwarm» der Perowskit aufgedampft. Dieser Zauberkristall schluckt UV-Strahlen und den blauen Anteil des sichtbaren Lichts und verwandelt diese in Strom. Rotes Licht und Infrarot-Strahlung lässt der Kristall jedoch passieren. So können die Forscher unter der halbtransparenten Perowskit-Zelle eine weitere Solarzelle anordnen, die das restliche Licht in Elektrizität umwandelt.
Sonnenlicht-Spektrum nutzen
Als untere Schicht der Tandem-Solarzelle dient den Empa-Forschern eine CIGS-Zelle (Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid) – eine Technik, an der das Team bereits seit Jahren forscht. Auf Basis der CIGS-Zellen läuft bereits eine Kleinserien-Produktion für flexible Solarzellen.
